基于問題解決的虛實結合物理實驗教學探索

陳美英

摘 要：本文以法拉第電磁感應定律為例，通過問題作為導向，采用虛擬仿真實驗和真實實驗相結合的教學手段，引導學生在探索問題的過程中，掌握物理研究方法，提升學生個人的思維能力、動手操作能力、觀察力等物理關鍵能力，達成更理想的教學效果。

關鍵詞：問題解決；虛擬仿真實驗；物理關鍵能力

物理學是一門以實驗為基礎的崇尚理性、重視邏輯推理的自然學科。它對客觀世界的規(guī)律做出了深刻揭示，并在發(fā)展、成長的過程中，形成了一整套獨特而卓有成效的思想方法體系，即從觀測或實驗事實中提煉出物理問題，嘗試用已知理論對問題做解釋、邏輯推理和數(shù)學演算等，最終得出規(guī)律[1]。本文在這個思想體系的引導下，以問題為導向，引導學生在嘗試探索問題的過程中，提升學生個人的思維能力、動手操作能力、觀察力等物理關鍵能力。同時，采用虛擬仿真實驗和真實實驗相結合的技術手段，突破難點，以期達成更理想的教學效果。

一、以問題解決為導向，培養(yǎng)關鍵能力的教學策略

以問題解決為導向的教學策略是一種高效的教學策略，教師對教材內(nèi)容和教學目標精心加工，巧妙設計教學中的每一個環(huán)節(jié)，使之以問題的形式呈現(xiàn)在課堂上。讓學生通過發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題和加以應用的過程來達到教學目標[2]。本文以“法拉第電磁感應定律”為例具體闡述問題教學法融入課堂中的策略。

策略1：通過趣味物理學史，構建情境提出問題

以問題解決為導向的教學，其目的是幫助學生探索知識并解決問題。物理學上一些規(guī)律的探索歷程充滿曲折、富有故事性，講述這些故事能夠激起學生的興趣，把注意力集中在故事中提出的物理問題上。以物理學史創(chuàng)設有趣的問題情境能夠讓學生產(chǎn)生求知欲及內(nèi)在動力，引導學生針對問題進行思考，引發(fā)其對相關知識的探索。因此，盡管趣味性問題并不決定問題本身的意義，但能確保問題的創(chuàng)設發(fā)揮其應有的作用。本節(jié)課通過展示法拉第制作世界上第一臺圓盤發(fā)電機的歷程，通過生動有趣的歷史故事，讓學生經(jīng)歷圓盤發(fā)電機的發(fā)明過程，體會其中的艱辛和最后的成功，培養(yǎng)學生的科學態(tài)度和責任感，發(fā)展學生的核心素養(yǎng)。

策略2：通過科學設置問題鏈，導引學習方向

以問題為導向的教學，很重要的價值在于通過問題設置，使得教學過程具有更明顯的針對性。這里的針對性是指問題引導學生探索和研究的內(nèi)容，是否直接指向知識點的核心內(nèi)容，即使是在對知識點進行層級剖析的前提下，創(chuàng)設的問題也需要能夠精準指向不同傾向的知識層級，保證學生擁有正確的探究方向，這是決定學生學習效率及學習活動有效性的關鍵因素[3]。因此，以問題引導課堂教學創(chuàng)設的問題是否具有相應的指向性，是發(fā)揮問題教學應有的教育作用的關鍵。本節(jié)課設置三個核心問題：影響感應電流大小的因素；影響感應電動勢大小的因素；感應電動勢與磁通變化率大小的關系，引導整個課堂的方向，串聯(lián)起各個教學環(huán)節(jié)的邏輯關系。

策略3：通過層進式子問題，啟發(fā)思考探究本質(zhì)

設置層層遞進的問題，重視開發(fā)其探究性內(nèi)容，引發(fā)學生一步步去解決問題，在探索的過程中逐漸養(yǎng)成強烈的探索欲。學生在充分考量問題的探究性內(nèi)容中獲得成就感，實現(xiàn)由問題驅動轉向求知欲驅動的內(nèi)化過程，逐漸養(yǎng)成自主學習意識，這個過程對完善學生人格及知識體系發(fā)揮重要作用。本節(jié)課設置4個核心問題引導教學方向，以層進式的子問題探究物理規(guī)律，例如表1中法拉第電磁感應定律這節(jié)課設置的子問題。

核心問題 子問題 探究的物理概念、規(guī)律

問題1：影響感應電流大小的因素 1.普通電路的電流由什么決定？

2.與普通電路對比，感應電路中誰充當電源，提供電動勢？

3.感應電路中的電源電動勢的來源？ 感應電動勢

問題2：影響感應電動勢大小的因素 1.觀察實驗1：由實驗現(xiàn)象得出什么結論？

動手操作實驗2：由實驗現(xiàn)象得出什么結論？ 感應電動勢的大小由磁通變化快慢決定。

問題3：感應電動勢與磁通變化率大小的關系 1.觀察實驗裝置，感應電動勢如何產(chǎn)生？

2.本套實驗裝置感應電動勢的大小由什么決定？

3.傳感器如何與電路連接，并測量感應電動勢和磁通變化率？

4.與電腦連接的圖像，反映出感應電動勢和磁通變化率有什么關系？ 感應電動勢與磁通變化率成正比。

問題4：如何應用法拉第電磁感應定律對第一臺發(fā)電裝置進行

改進 1.第一臺發(fā)電機電流小的原因是什么？

2.根據(jù)法拉第電磁感應定律，電動勢由什么決定？

3.你將從哪些方面改進發(fā)電機，從而增大它的電動勢？ 理論聯(lián)系實際，解決問題，發(fā)展物理關鍵能力。

表1

二、虛實結合的教學方法突破難點

高中物理采用問題教學法，除了教師對教學策略的精心安排，對教學難點的突破方法也很重要。本節(jié)課采用虛實結合的探究方法突破難點，虛擬仿真實驗作為一種以虛擬仿真技術為支撐的實驗教學新形式，通過圖形化界面模擬實物實驗的過程與效果，幫助學生直觀、形象地體驗實驗操作過程，具有沉浸式、高仿真、突破時間和空間的限制等特點，與真實實驗相互補充，彌補傳統(tǒng)物理實驗教學中的不足，提高物理實驗的教學效果，優(yōu)化教學，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新學習

能力[4]。

突破1：虛擬仿真實驗模擬真實情景，構建物理模型，還原歷史場景。

結合歷史上真實的圓盤發(fā)電機的圖片，用虛擬實驗再現(xiàn)法拉第圓盤發(fā)電機的原型。讓學生更直觀了解第一臺發(fā)電機的原型，在腦海中構建生動具體的物理模型，引起探究感應電流大小的

欲望。

突破2：虛擬仿真實驗演繹動態(tài)實驗過程，解釋物理原理。

高中部分物理實驗本身不具備直觀性，例如本節(jié)課中電磁場部分，電場和磁場不可視、不可觸，不利于學生理解，虛擬仿真實驗通過電磁物理模型豐富學生的感性認識，幫助其知識的建構，將抽象、不可視的物理世界形象化。本節(jié)課借助虛擬仿真軟件nobook內(nèi)的實驗，動態(tài)展示兩個實驗過程：1.定性探究感應電動勢的大小與磁通變化快慢的關系。2.分析傳感器探究電動勢大小與磁通變化率關系的實驗原理。更清晰呈現(xiàn)實驗現(xiàn)象，對復雜抽象的實驗原理開展教學，將物理規(guī)律分步具象化，加深學生的印象和

理解。

突破3：模擬演練實驗操作過程，使教學過程更高效。

傳統(tǒng)物理實驗教學過程中，由于學生對實驗器材不熟悉，教師耗費大量時間糾正學生的實驗操作動作，導致課堂效率低。高中階段課程任務多、時間緊，學生無法在課下找到足夠的時間去完成課上未完成的物理實驗。而虛擬仿真實驗以計算機為依托，學生可在計算機上進行實驗模擬，熟悉實驗步驟，這樣能夠在實際實驗操作過程中減少失誤，提高學習活動效率。例如，本節(jié)課在探究感應電動勢大小的活動之前，通過虛擬仿真實驗提前讓學生熟悉電路的連接。

突破4：通過真實實驗對比教學，內(nèi)化物理概念和規(guī)律

虛擬仿真實驗是按照計算機編程程序來模仿實際實驗，已提前預設了實驗現(xiàn)象和實驗結果，學生只需通過操作鼠標即可完成相應實驗操作，因此學生潛意識可能會認為一切均是人為設置，從而在一定程度上懷疑實驗現(xiàn)象和結論的可靠性，不能完全信服實驗結果，并且失去了親自動手實踐的訓練，其動手能力會大大降低[5]。因此，本節(jié)課在充分發(fā)揮虛擬仿真實驗優(yōu)勢的同時，結合了真實實驗開展教學。虛擬仿真實驗主要在實驗設計的修正、模擬操作練習、解釋原理、展示動態(tài)過程和實驗創(chuàng)新上；真實實驗重點放在儀器的規(guī)范操作和數(shù)據(jù)采集上。所以本節(jié)課通過兩個定性探究實驗和一個定量探究實驗，讓學生親身經(jīng)歷動手實踐探究物理規(guī)律的過程，真實感受感應電動勢與磁通變化快慢的關系，從而落實物理核心素養(yǎng)（表2）

表2

三、以問題解決為導向，虛實結合的教學實踐步驟

（一）回顧知識點

通過兩個如圖1所示的虛擬仿真實驗提出問題：電磁感應現(xiàn)象和產(chǎn)生條件，引導學生回憶感應現(xiàn)象產(chǎn)生的條件：（1）閉合電路（2）磁通量變化。喚起學生對電磁感應現(xiàn)象的記憶，為接下來的新課做準備。

圖1

（二）設置問題情境

教師展示法拉第圓盤發(fā)電機圖片，播放法拉第圓盤發(fā)電機虛擬仿真實驗并講述歷史故事：法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應定律，不久之后就制作了世界上第一臺發(fā)電機——圓盤發(fā)電機，但這臺發(fā)電機只能產(chǎn)生微弱的電流，甚至無法讓一盞小燈泡發(fā)光，被當時的人們嘲笑。由此引發(fā)學生思考：感應電流的大小由什么決定？ 比較普通電路和感應電路，普通電路電流由電源提供，對于電阻一定的電路，電流大小由電源電動勢決定。而感應電路中的電源由導體棒或者螺線管等充當，提供電動勢，這種由電磁感應而產(chǎn)生的電動勢，叫感應電動勢。

產(chǎn)生條件：穿過回路的磁通量發(fā)生變化。那電路需要閉合嗎？分析感應電動勢的微觀本質(zhì)，由自由電子在磁場中運動受到洛倫茲力引起導體兩端電勢差而產(chǎn)生感應電動勢，電路中只要磁通量發(fā)生變化就會產(chǎn)生感應電動勢，閉合回路進而產(chǎn)生感應電流。因此，討論感應電流的大小就很有必要討論感應電動勢的大小。

提出問題：影響感應電動勢大小的因素，引發(fā)學生思考。

（三）定性實驗分析

針對學生的猜想設計了以下兩個實驗。

實驗1（圖2甲）：定性探究感應電動勢的

大小

磁鐵穿過兩個相同的螺線管，觀察兩個同規(guī)格的二極管發(fā)光亮度。結合虛擬實驗（圖2乙）放慢實驗過程，引導學生分析實驗現(xiàn)象。得出實驗結論：磁通變化量一定時，穿過回路的時間越短，產(chǎn)生的感應電動勢越大。

圖2

實驗2：學生分組探究感應電動勢的大小

利用nobook虛擬仿真實驗（如圖3）連接實驗電路，練習實驗操作。然后真實操作實驗電路，改變A螺線管的磁感應強度，讓A螺線管以相同的速度穿過B螺線管，觀察電流表指針的偏轉幅度。得出實驗結論：穿過回路的時間一定時，磁通變化量越大，產(chǎn)生的感應電動勢越大。

圖3

綜合以上兩個實驗，得出結論：感應電動勢的大小E與磁通量變化的快慢有關，磁通量變化越快，感應電動勢越大.

（四）定量實驗測量，得出結論

通過更精確的儀器電壓傳感器和磁感應強度傳感器定量探究感應電動勢E與磁通變化率的關系，實驗儀器和電路圖如圖4所示，利用虛擬實驗（圖5）介紹儀器的工作原理，通過改變圖6中與智能電源相連的內(nèi)管的電流，產(chǎn)生變化的磁感應強度，圖中紅色部分外管產(chǎn)生感應電動勢。用傳感器分別記錄管中磁感應強度B隨時間變化圖像，和感應電動勢E隨時間變化圖像（圖8），分析圖像，得出感應電動勢與磁通變化率成

正比。

圖4

圖5

圖6

（五）練習

通過以下例題讓學生學會運用法拉第電磁感應定律公式

例題：在一個磁感應強度大小隨時間變化的磁場中，垂直于磁場方向放一個面積為0.10m2的線圈。在0.20s內(nèi)磁場各點的磁感應強度由0增大到0.30T，求線圈中的平均感應電

動勢。

（六）生活應用

討論如何改進法拉第的第一臺圓盤發(fā)電機，增大感應電流，提高發(fā)電效率。引導學生通過法拉第電磁感應定律解決實際問題。通過增加匝數(shù)，用多組線圈取代原來的金屬圓盤，用電磁鐵取代磁鐵，用更大的動力驅動線圈轉動，從而產(chǎn)生更大的電流，形成現(xiàn)在的發(fā)電機。例如，利用水力驅動的水電站，利用風力驅動的風力發(fā)電站，核動力驅動的核電站。法拉第的電磁感應定律為進入電氣時代奠定了最重要的基礎，從第一臺發(fā)電機不能讓一盞燈泡發(fā)光，到現(xiàn)在的大功率發(fā)電站，從嬰兒到巨人的成長。介紹當今世界上最大水電站——三峽電站，總裝機容量為2250萬千瓦，單機容量和總裝機規(guī)模均居世界第一，引發(fā)同學們的民族自豪。

結束語

愛因斯坦曾說過：“發(fā)展獨立思考和獨立判斷的一般能力，應當始終放在首位，而不應當把獲得專業(yè)知識放在首位。如果一個人掌握了他的學科的基礎理論，并且學會了獨立思考和工作，他必定會找到自己的道路，并適應進步和變化?！惫P者認為高中物理教學過程中通過問題作為教學的導向，最終目的應是形成學生能夠運用物理思想方法獨立思考問題并解決問題的思維。在這個過程中教師合理利用有效的信息技術手段，調(diào)動學生自發(fā)學習的內(nèi)在動力，充分發(fā)揮學生自主探索問題的主觀能動性，發(fā)展學生的物理核心素養(yǎng)，形成獨立人格。

參考文獻

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[5]王曉婷.虛擬仿真實驗對高中生物理學習興趣的影響研究[D].聊城：聊城大學，2020.

基金項目：2022年度福州市教育信息技術研究課題“基于虛擬仿真實驗2.0的高中物理教學策略研究”（課題編號：FZDJ2022A27）。